微机械陀螺零位误差的研究

　　微机械类陀螺仪存在严重的零位误差问题,如果不能针对影响因素进行有效的补偿,会降低陀螺的精度等级,甚至淹没陀螺仪精度.大量资料表明,目前应用和科研领域的诸多研究多是针对某一种干扰因素或具体应用条件进行分析,提出相应的误差补偿方案,如温度补偿方案[1],加速度补偿方案[2],根据特性进行的静态补偿和动态补偿方案[3O5]等,且多基于仿真实验.

　　本文基于实际应用研究中的特性实验和数据整理,针对微机械类陀螺仪误差受多种因素交叉影响的特点,分析了各误差项产生的原因及相互间的关系,最终提出了相应的校正方法.

　　1　微型陀螺仪误差分析

　　陀螺仪是基于力学原理工作的传感器件,工作前提是假设陀螺仪驱动轴在高频震动时的检测质量块是完全均匀、对称的集中质量块,根据莱查定理建立某一定点角动量的矢端速度向量与该点所受哥式惯性力矩间的关系.然而,由于工艺误差引起的结构不对称,挠性轴不正交,材质分布不均匀等因素,造成了重心偏移、弹性变形、结构变形及各轴向交叉敏感,从而带入误差.同时,外界温度、震动、检测电路干扰及安装偏差等也间接带入陀螺仪输出偏差.根据实际应用设定陀螺仪的零位输出时刻是准备时间段的终止时刻,即陀螺仪的零位误差也包含了准备时间段内产生的动态误差,陀螺仪各误差项如图1所示.

　　各误差项产生的具体原因如下:

　　(1)与重力加速度有关的误差项,是由于框架式结构陀螺仪在转动0°~90°的过程中始终受重力加速度作用而产生的绕水平轴的不平衡力矩所致;

　　(2)与结构、安装误差有关的误差项,是由制造中的结构不对称产生重心偏移、非弹性力矩及使用中安装初始位置不平衡而产生的干扰力矩所致;

　　(3)与温度相关的误差项,是由于构成陀螺机构的材料受环境温度的影响产生了形变引起的附加力矩所致;

　　(4)轴向交叉敏感误差项,是由于运动物体线速度在各坐标轴上产生一定的角速度分量、牵连加速度等所致;

　　(5)与其他因素有关的误差项是指由陀螺自身电路噪声和构成惯性测量组件(IMU)电路的电磁干扰引起的测量误差;

　　(6)冲击震动误差项属于动态误差,因载体动作承受大过载所致.

　　以上各误差项又可分为静态零位误差项和动态误差项,其中静态零位误差项又可归为两类.

　　(1)零位偏移误差:指陀螺通电,正常启动后,在t时刻陀螺仪的零位输出角速率值ωo(t),如图2所示.

　　(2)零位漂移指:IMU每次上电工作时陀螺仪的零位不重复性差值.在全温度范围内,压电类陀螺仪零偏值可达到5°~10°,低精度硅微型陀螺仪零偏值可达到2°~3°,且在相同温度条件下,零偏值存在时变特性.